ошиновка электролизера для получения алюминия

Формула изобретения

Ошиновка электролизера для получения алюминия, включающая анодные стояки, часть из которых расположена ближе к торцу ванны, а другие отдалены от него, секции катодных шин, расположенные на продольных входной и выходной по отношению к направлению тока сторонах, с подключенными к ним катодными стержнями, ток по которым на выходной стороне протекает в разных направлениях, электрически связанные в пакеты шины, идущие на анодные стояки, и разбитые на пакеты шин, расположенные вдоль торцов и под днищем, отличающаяся тем, что ток по секциям катодных шин входной стороны протекает в одном направлении, а количество катодных стержней, подключаемых к пакету под днищем, ближайшему к торцу электролизера, выбирается по соотношению

N_д=K·N_т·L_д/L_т,

где K - эмпирический коэффициент, учитывающий особенности конструкции элементов днища катодного устройства, определенный методом вычислительного эксперимента и составляющий 0,3-0,5;

N_д - количество катодных стержней, подключаемых к пакету под днищем, ближайшему к торцу ванны;

N_т - количество катодных стержней, подключаемых к торцевому пакету;

L_д - расстояние от середины слоя металла в пространстве борт-анод от шины в пакете под днищем;

L_т - расстояние до середины слоя металла в пространстве борт-анод от торцевой шины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в конструкциях ошиновок электролизеров для получения алюминия электролитическим способом при их поперечном расположении в корпусе.

Известна ошиновка алюминиевого электролизера при поперечном расположении, включающая по крайней мере одну горизонтальную шину, проходящую вдоль продольной стороны, катодные спуски для соединения блюмсов с катодными шинами, при этом токоподводы соединены с шинами в таких местах, что ток протекает по катодным шинам в противоположных направлениях (патент USA N 4976841. Конфигурация ошиновки для алюминиевых электролизеров).

Известна также ошиновка алюминиевого электролизера при поперечном расположении, включающая анодные стояки, часть из которых располагается ближе к торцу ванны, а другие отдалены от него, наличие сборных пакетов катодных шин, расположенные на продольных сторонах и пакетов, передающих ток с входной стороны на последующий по ходу тока электролизер, расположенные вдоль торцов и под днищем, причем сборные шины и пакеты выполнены в виде сегментов эллипсов (Ошиновка алюминиевого электролизера, а.с. СССР N 1811222 от 16.11.99). Таким образом достигается компенсация магнитного поля в металле алюминиевого электролизера. Данное авторское свидетельство выбрано в качестве прототипа.

Недостатком данной ошиновки является компенсация поля в металле от взаимодействия вертикального тока со сборными пакетами и торцевыми пакетами. При этом не определена степень воздействия на металл пакетов шин, расположенных под днищем электролизера. Кроме того, изготовление криволинейных шин нетехнологично и имеет высокую стоимость изготовления, что ограничивает область их применения.

Технической задачей изобретения является минимизация электромагнитных сил в металле в зоне пространства борт - анод электролизера за счет оптимального расположения и нагрузки в торцевых пакетах и в пакетах под днищем, в результате чего будет достигнуто повышение выхода по току.

Поставленная задача решается тем, что в ошиновке электролизера для получения алюминия, включающей анодные стояки, часть из которых располагается ближе к торцу ванны, а другие отдалены от него, секции катодных шин, расположенные на продольных входной и выходной по отношению к направлению тока сторонах, с подключенными к ним катодными стержнями, ток по которым на выходной стороне протекает в разных направлениях, электрически связанные в пакеты шин, идущие на анодные стояки и разбитые на пакеты шин, расположенные вдоль торцов и под днищем, выполняется таким образом, что ток по секциям катодных шин входной стороны протекает в одном направлении, а количество катодных стержней, подключаемых к пакету под днищем, ближайшему к торцу электролизера, выбирается по соотношению:

N_д=K·N_т·L_д/L_т,

где K - эмпирический коэффициент, учитывающий особенности конструкции элементов днища катодного устройства, определенный методом вычислительного эксперимента и составляющий 0.3-0.5;

N_д - количество катодных стержней, подключаемых к пакету под днищем, ближайшему к торцу ванны;

N_т - количество катодных стержней, подключаемых к торцевому пакету;

L_д - расстояние до середины слоя металла в пространстве борт - анод от шины в пакете под днищем;

L_т - расстояние до середины слоя металла в пространстве борт - анод от торцевой шины.

На фиг. 1 показан пример выполнения ошиновки по предлагаемому решению.

На фиг. 2 показан фрагмент продольного разреза электролизера и механизм взаимодействия магнитных полей, создаваемых проводниками с током.

Ошиновка электролизера состоит из анодных стояков 1, сборных шин 2 с подключенными к ним катодными стержнями 3, пакетов шин, расположенных вдоль торцов 4, и пакетов шин 5, 6, расположенных под днищем ванны. Крайние пакеты 5 располагаются ближе к торцу электролизера, чем пакеты 6.

Максимальные электромагнитные силы в металле 7 развиваются в пространстве между анодом 8 и бортом электролизера 9. В этой зоне имеется максимальный градиент потенциала электрического поля вследствие растекания тока, а также градиент поля от совокупного влияния магнитного поля торцевых пакетов 4 и пакетов под днищем электролизера 5, 6, а также поля вертикального тока (показано стрелкой). Определяющее влияние на формирование магнитного поля в металле в пространстве анод - борт оказывают ближайшие к торцу ванны пакеты 5 вследствие их приближенности к данной зоне. Торцевые пакеты ошиновки и пакеты под днищем создают в металле в пространстве борт - анод магнитные поля, силовые линии которых направлены навстречу 10, 11. Расстояние от торцевого пакета до металла в пространстве борт - анод L_т 12, от пакета под днищем L_д 13. Для полной минимизации электромагнитных сил в этой зоне необходимо равенство магнитных полей, создаваемых торцевым пакетом 4 и пакетом под днищем 5. В случае полной компенсации данное равенство численно выражается как:

I_т·В_т=I_д·В_д,

где I_д - сила тока в пакете под днищем, ближайшем к торцу ванны;

I_т- сила тока в торцевом пакете;

В_д - магнитное поле, создаваемое током в пакете под днищем;

В_т - магнитное поле, создаваемое током торцевого пакета.

С учетом зависимости силы тока по пакету от количества подключенных к ним катодных стержней, которая рассчитывается как:

I_т=N_т·I_кс и I_д=N_д·I_кс,

где I_кс - средняя величина силы тока по катодному стержню.

Для случая полной компенсации магнитного поля результирующее выражение может быть представлено следующим образом:

N_д·L_т=N_т·L_д.

Размещение пакетов под днищем имеет свои особенности, связанные с конструкцией нижней части катодного кожуха, а именно наличием подкатодной балки, ребер жесткости, шпангоутов и другими элементами.

По этой причине полной компенсации поля только крайним пакетом под днищем добиться не удается, а количество подключаемых стержней к нему выбирается с учетом конструктивных особенностей днища. Это учитывается в результирующем выражении введением эмпирического коэффициента К, рассчитанного методом вычислительного эксперимента и составляющего 0.3-0.5 от необходимого количества для полной компенсации. Для К менее 0.3 величина силы тока в крайнем пакете под днищем недостаточна для эффективной компенсации магнитного поля. При К равном 0.5 и более количество подключенных блюмсов становится сопоставимо с торцевым пакетом, что приводит к увеличению размера пакета. Это затрудняет его размещение под днищем электролизера и вызывает необходимость его отдаления от металла, что также снижает эффективность компенсации.

С учетом эмпирического коэффициента в итоговом выражении количество блюмсов, подключаемое к ближайшему к торцу пакету ошиновки, проходящему под днищем электролизера, может быть рассчитано как:

N_д=K·N_т·L_д/L_т.

Например, для электролизера, имеющего 72 катодных стержня, при токе по торцевому пакету, составляющем 33% тока входной стороны, количество подключаемых к нему катодных стержней составит N_т=12 штук. При отношении расстояний L_д/L_т=1.2 количество N_д по предлагаемому решению с учетом коэффициента составит 4-7 штук. Вариант ошиновки с подключением 4 катодных стержней в пакете, ближайшем к торцу электролизера, показан на фиг. 1.

Использование данной формулы позволяет конструировать ошиновку электролизеров, обеспечивающих снижение электромагнитных сил, воздействующих на катодный металл электролизера, в результате чего достигается увеличение выхода по току на 1-3%.